电气工程课程设计电能质量调节器控制系统设计

1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 电气工程课程设计 题 目 电能质量调节器控制系统设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气 1班 学生姓名 学生学号 指导教师 高金兰 姚建红 2012年 7月 18 日东北石油大学课程设计任务书课程 电气工程课程设计 题目 电能质量调节器控制系统设计 专业电气工程及其自动化 姓名*学号 123123123 主要内容：分析统一电能质量调节器的拓扑结果和工作原理的基础，并对统一电能质量调机器的控制系统进行设计，将空间矢量调制应用到统一电能质量调节器的控制中，并与传统的PID滞环控制进行比较。通过MATLAB中的SImulink进行电路的仿

2、真，实现两种控制系统下对电能质量的补偿，并对补偿结果进行比较。参考资料：1 胡铭，陈珩.有源滤波器技术及其应用J.电力系统白动化.2000(3):66一70 2 李国勇，刘汉奎，徐殿国统一电能质量调节器的研究 J电力电子技术，2003，37(1)：74783 陈伯时电力拖动自动控制系统M北京：机械工业出版社，19924 王正林，王胜开等MATLAB/Simulink与控制系统仿真 M北京：电子工业出版社，2005完成期限2012.7.10至2012.7.18指导教师专业负责人2012年 7 月 9 日目 录1设计要求.12电能质量污染问题.1 2.1电能质量污染问题产生的原因.12.2电能质量

3、污染问题的危害.12.3电能质量污染问题的改善方法.23UPQC拓扑结构和工作原理.23.1UPQC拓扑结构.23.2 UPQC的检测原理.33.3 UPQC的补偿原理.54统一电能质量调节器的控制系统.54.1滞环控制系统.54.2SVPWM控制技术.65电仿真结果及分析.85.1检测部分的仿真.85.2滞环控制的仿真.95.3空间矢量调制（SVPWM控制）的仿真.9结 论.11参考文献.131 设计要求（1）首先在掌握统一电能质量调节器的电路拓扑结构的基础上，分析其工作原理。利用瞬时无功功率理论，改进电能质量调节器控制与谐波检测算法，分析其可行性和可靠性。（2）在熟悉统一电能质量调节器的基

4、础上建立它的系统设计的数学模型，对其工作原理进行理论分析。（3）学习MATLAB软件并熟练运用其系统建模和仿真功能。用MATLAB进行系统仿真，分析计算仿真结果。调整系统的参数确定最佳参数。（4）给出改进前后电能质量调节器的仿真波形图，验证系统设计的可靠性和实用性。2 电能质量污染问题2.1 电能质量污染问题产生的原因随着电力系统规模的不断扩大以及系统中非线性负荷的不断增加，电力系统受到的“谐波污染”也越来越严重，加上电力系统可能出现的内外故障，这些因素都可能恶化系统的电能质量。电力系统电能质量污染问题的产生主要有以下原因：（1）非线性负载。（2）电力系统设备的非线性特性。（3）电力系统故障电

5、力系统运行的内、外故障也会造成电能质量问题，如短路故障、雷击、误操作、电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动等都将造成各种电能质量问题。2.2 电能质量污染问题的危害电能质量污染问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害，主要表现在以下几个方面：（1）谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量3次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。（2）谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏。（3）引起电网谐振。（4）导致继电保护和自

6、动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。2.3 电能质量污染的改善方法2.3.1无源滤波器无源滤波器也称为LC滤波器，是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。在交流系统中，无源滤波器不仅可以起到滤波作用，还可以兼顾无功补偿的需求。LC滤波器虽然有结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，但是无源滤波器不能补偿频率变动，其滤波效果依赖于系统阻抗和非线性负载的特性，并且容易受温度漂移、电网污染程度、滤波电容老化及非线性负载变化的影响。此外，由于无源滤波器仅对特

7、定次谐波进行有效衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器的个数是有限的，所以对于谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波效果往往不够理想。滤波电容还会产生谐振，造成损坏。2.3.2有源电力滤波器有源电力滤波器(APF)根据与补偿对象的连接方式不同，分为串联型与并联型两种。按照目前的工业应用和实践，串联型APF主要用于补偿电网电压的各种畸变分量，使用户端得到标准的正弦波电压;并联型APF主要用于抑制非线性负载的电流谐波，避免谐波污染电网电流。2.3.3统一电能质量调节器日本学者Akagi在1996年分析有源滤波器新趋势一文中，首次提出了统一电能质量调节器（UPQCunified power qu

8、ality conditioner）的概念。它是由串联型APF和并联型APF通过公用的直流母线电压耦合而成（故又有文献称其为串并联复合型有源滤波器），集串联型APF和并联型APF的功能于一体，不仅可以补偿由非线性负载产生的谐波、无功、负序电流，还可以调节负载端电压为幅值一定的三相对称电压，具有综合的电能质量调节功能，是一种较为理想的提高配电网电能质量的补偿装置。3 UPQC的拓扑结构和工作原理3.1UPQC拓扑结构统一电能质量调节器（UPQC）将串联APF和并联APF通过公共的直流母线电压整合起来，从而结合了两者的优势，具有多种电能质量补偿功能，不仅可以补偿非线性负载产生的无功和谐波以及负序电

9、流，还可以调节负载端电压为幅值一定的三相对称电压和补偿电源电压负序分量。在电源电压和三相电网均发生谐波畸变的电力系统中，UPQC无疑是一种极有前途的电能质量补偿装置，目前已有不少研究机构和学者就此展开研究。典型的UPQC拓扑结构图如图3.1所示。图3.1 UPQC的拓扑结构图3.2 UPQC的检测原理三相电压用正序、负序和零序来表示，其变换公式为 （3-1）其中 将a代入A相正序量为（3-2）从而可得（3-3）lp为基波正序电压初相角使用基于瞬时广义无功功率的dp坐标变换，经过低通滤波后可得到dp轴直流分量，即可得到基波电压幅值：（3-4）在dp坐标下，通过一个低通滤波器就可以得到dp轴直流分

10、量udp和udp，由下式即得到基波电压幅值：(3-5)可得到电压单位基波正序分量：(3-6)这样从电网电压中减去电网电压基波正序分量，便得到需要补偿的包含谐波、无功和负序的电源电压畸变量，即补偿量为：（3-7）3.3UPQC的补偿原理3.3.1并联有源滤波器的补偿3.3.2UPQC的补偿原理 UPQC的补偿等效原理图如图3.2所示。其中Us为系统电网电压，通常情况下存在着谐波干扰和三相不对称的情况，Ui和Uc分别是负载电压和串联APF提供的补偿电压，iL和iS分别对应负载电流和电源电流，iC是并联APF提供的补偿电流，Z为系统非线性负载。图3.2 UPQC的补偿等效原理图若电网电压是非正弦畸变

11、信号，通过傅立叶分析，可被分解为基波正序、基波负序和谐波分量。当UPQC的串联APF提供电网中的基波负序和谐波分量时，则负载侧电压即可成为三相对称正弦电压。由于线路损耗等原因，电网电压的基波正序分量在到达负载端时，幅值可能会有所下降，为了保证负载端能够得到幅值一定的三相对称电压，故在设计中让串联APF也承担了一定基波正序电压补偿的功能。同样，并联APF提供的补偿电流满足负载电流中除基波正序有功电流外的其他分量，那么希望补偿的负序、无功和谐波电流将不再流进电源，而直接进入并联APF，从而电源电流将只提供负载中的基波正序电流有功分量对于并联APF部分，它除了补偿电流畸变量以外还负责调节直流母线电压

12、Uc，使其为恒定值。由电压型APF的特性可知，在工作过程中大电容的电压值看作是一个恒定的量。但是电力变换器在实际工作中存在着有功损耗，因此如果电网不向UPQC输入一定的有功功率，则电容Cd的初始电压Uc将不断减少，造成UPQC不能正常工作。所以电网每个电周期必须要给电力变换器补充能量，向并联APF输入一定的有功电流。4统一电能质量调节器的控制系统4.1 滞环控制系统图4.1为一单相采用PID滞环比较器的瞬时值比较方式控制电路原理图。在该系统中，把补偿电流的指令信号iC*与逆变器实际发出的补偿电流信号iC。进行比较两者的偏差作为滞环比较器的输入，为使跟踪效果更好，在输入滞环之前加入PID环节，通

13、过滞环比较器产生控制主电路中开关器件通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路放大后控制主电路功率器件的断，从而控制补偿电流iC*的变化。图4.1滞环比较控制原理图由于滞环控制具有反应速度快，容易实现和不需要了解负载性质(感性负载或容性负载)等优点，在有源电力滤波器中采用该控制系统是有利的。然而这种滞环控制存在开关频率变化范围大。因此，在采用滞环比较的控制系统时，需要设置恰当的滞环宽度，必要时采取变滞环宽度的方法，才能达到较好的跟踪效果。4.2SVPWM控制技术4.2.1基本的电压空间矢量图4.2是一个典型的电压型PWM逆变器。利用这种逆变器功率开关管的开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整，以

14、保证电压空间矢量圆形运行轨迹为目就可以产生谐波较少的，且直流电源电压利用率较高的输出。图4.2 三相电压型逆变器4.2.2空间矢量的控制SVPWM控制算法时，一般都采用矢量合成式的方法。矢量合成式SVPWM在使用数字处理器实现SVPWM是通过基本电压空间矢量与其作用时间的组合来等效参考电压矢量与其作用时间的积分效果。而它的具体实现则需要经过以下几个步骤：（1）判断参考电压矢量所处的扇区；（2）计算出相应电压空间矢量的作用时间（3）根据所计算出的作用时间，选择开关模式生成PWM信号下面就以一个实例来对各个步骤依次分析：（1）判断参考电压矢量所处的扇区扇区S则由公式S=a+2b+4c来确定。（2）

15、根据所属扇区分配矢量及其作用时间在确定了参考电压矢量所属的扇区之后，可以确定的是应该由零矢量和六个非零基本电压空间矢量中的哪两个来作为合成矢量。为达到其等效积分效果，还需要进一步根据矢量合成的平行四边形原则和PWM的等面积原则，来确定每个基本电压空间矢量的作用时间。这里定义由两个电压矢量以逆时针方向组成的每一个扇区中，相位超前的矢量为,称为主矢量，相位滞后的矢量为称为辅矢量，其作用时间分别为和。下面就以参考电压矢量落在扇区时为例：当参考电压矢量落在扇区时，将与扇区相邻的有效空间矢量，以及零矢量来合成，的作用时间,应满足（4-1）为PWM开关周期，并且其中（4-2）而（4-3）且可以看出，经过计

16、算可以得到（4-4）因此，将基本电压空间矢量的模长代入计算可以得到在扇区内主、辅空间矢量的作用时间为：（4-5）（4-6）（4-7）（3）确定矢量切换点Tcm1 ，Tcm2 ，Tcm3 ，如下表4-1表4-1个扇区矢量切换点表扇区号Tcm1 Tcm2Tcm35仿真结果及分析Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。5.1检测部分的仿真UPQC的检测部分仿真的电路图，如图5.1所示。图5.1 UPQC的检测仿真模型图5.2滞环控制

17、的仿真在电源电压在0.02秒到0.06秒之间设置一个电压的跌落，来验证UPQC对电压跌落的补偿效果。虽然跌落的电压得到了补偿，但是补偿后的电压波形存在一定的局部震动，没有成为严格意义上的正弦波形补偿效果不是太好。经UPQC补偿后，电流的波形已经明显趋向正弦波，但是使用PID滞环的控制下的电流波形很不理想，电流存在严重的波动。这种电流补偿波形虽然有所好转，但不能满足要求。5.3空间矢量调制（SVPWM控制）的仿真空间矢量调制控制的仿真图如图5.2所示图5.2 SVPWM控制方法的仿真模型图如图5.3所示，在0.02秒和0.06秒之间有一个电压跌落。图5.3补偿之前的三相电压波形图经SVPWM控制

18、后，电压补偿后的波形图如图5.4所示：图5.4补偿后的三相电压波形图图中可以看出，用SVPWM控制补偿后，电网电压的跌落得到了很好的补偿，得到的波形基本为正弦波形。电流波形如图5.5所示：图5.5补偿前的三相电流波形图图5.6补偿后的三相电流波形图经统一电能质量调节器补偿后得到的电流波形如图5.6所示，从图中可以看出，经SVPWM控制后，电流的波形有了很大的改善，电流的波形基本是标准的三相正弦电流，原来的畸变电流得到了完全补偿。说明此控制系统是可行的，而且得到了很好的效果。结 论统一电能质量调节器是今年来一个热点，理论分析和仿真结果表明，UPQC技术能补偿电网侧欠电压和畸变，使得负载得到较好的

19、正弦电压，使用户免受电源畸变的影响，又能抑制非线性负载电流的畸变量，避免电网受到负载谐波的污染。因此，UPQC可有效的补偿电网侧和负载侧产生的诸多电能质量问题。本设计在深入分析统一电能质量调节器的拓扑结果和工作原理的基础上，主要对统一电能质量调机器的控制系统进行了深入的探讨，将空间矢量调制应用到统一电能质量调节器的控制中。结果表明，空间矢量调制系统是可行的，而且有较好的补偿效果。参考文献1 李国勇，刘汉奎，徐殿国统一电能质量调节器的研究 J电力电子技术2003，37(1)：74782 胡铭，陈珩.有源滤波器技术及其应用J.电力系统白动化2000(3):66一703 宋文南，刘宝仁.电力系统谐波分析水利M.电力出版社19934 翁利民，陈允平，舒立平.大型炼钢电弧炉对电网及自身的影响和抑制方案J电网技术.2004,3(8):52-585 姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器:结构、原理、控制M 科学出版社20096 宋琦并联型有源滤波及无功补偿的研究D华中科技大学硕士毕业论文20057 王兆安，杨君，刘进军谐波抑制和无功功率补偿M北京:机械业出版社20058 杜永基于全数字控